电子签名笔迹特征变化的原因探析

王少仿，王 杰

（1.湖北警官学院，湖北 武汉 430034；2.襄阳市公安局，湖北 襄阳 441104）

近几年，随着计算机技术、电子技术、信息技术等迅猛发展，数字手写技术已广泛出现于日常学习、生活、工作中，正悄然改变人们的书写方式。银行、电信、商店、餐饮等企业的工作业务中纷纷摒弃传统的笔纸书写工具，配置各式各样的电子签名器，电子签名逐渐取代传统的笔纸签名。电子签名书写活动所需要的书写工具和承受物与传统笔迹书写活动差异显著，两种书写方式形成笔迹的特征之间存在很大差异，笔迹检验难度骤增，给文检员带来严峻挑战。文检员必须从原理上探究电子签名笔迹特征变化的原因，找出笔迹特征变化的规律，才能有效避免电子签名笔迹鉴定出现偏差。

笔者以电子签名笔迹中使用较广泛的数字手写笔迹为研究对象，着重对相同书写条件下运用不同品牌、不同性能的电子书写设备所书写电子签名笔迹的特征表现进行实验性研究，通过制作充足的实验样本，观察不同品牌、相同品牌不同型号设备之间的笔迹特征异同，归纳特征变化规律，分析电子书写设备自身性能对笔迹特征表现的影响，探究笔迹特征发生变化的原因，为电子签名笔迹的准确鉴定提供理论支撑和参照依据。

一、电子签名笔迹概述

数字手写技术与普通书写运动的最大差别在于以屏幕为“纸”、以电磁信号为“墨”。按照书写载体不同，可以将手写电子笔迹分为电阻屏笔迹、电容屏笔迹和红外声波屏笔迹等；按照书写工具不同，手写电子笔迹可分为电磁笔书写笔迹、电容笔书写笔迹。一般而言，电磁笔感应更为精准，笔迹特征反映相对稳定，常见于汉王系列、友基系列及日本Wacom 系列产品，电容笔书写笔迹常见于苹果公司iPhone、iPad 系列及安卓各品牌系列产品。除电容笔和电磁笔作为手写工具外，手指直接触控电容屏幕书写笔迹也较为常见。

目前，手写输入方法主要有两种：将原字迹逐个转化为汉字内码的输入法和保留原笔迹的手写输入法，我们把后者称为数字手写技术。简言之，“数字手写技术”就是以电子屏幕为书写承载物、以触控笔为书写工具、部分保留书写者书写习惯，用于传递图文信息的电子技术，应用比较广泛的是电磁压感书写技术和电容触控式书写技术［1］。在鉴定实务中，必须注意区分书写载体种类和书写工具种类，做到有的放矢，进而提高电子签名笔迹鉴定意见的准确性。

二、实验设计与步骤

实验中，邀请10 名实验人员（5 男5 女）于同一时期、正常坐姿状态下，先在A4 纸上运用黑色签字笔分别以快、常、慢三种速度书写，然后以常速分别使用7 台电子签名设备（配有触控笔）书写，再对电子签名实验样本与普通A4 纸面签名样本进行特征比对，计算特征变化概率，结合笔迹形成机理、不同书写设备的参数设置，依据控制变量法，对手写电子签名笔迹特征变化与电子签名设备参数间的关系进行分析归纳，探究电子签名笔迹特征变化的原因。

（一）实验器材与人员

本实验选用5 种不同品牌的电子签名设备共7台，设备编号、品牌型号及性能参数见表1 所示；其它设备有：笔记本电脑（DELLVostro 5460）1 台，扫描仪（惠普ScanJetG2410）1 台，晨光黑色0.5mm 中性笔（AGPA3901）2 支，电容笔1支，A4 打印纸若干。

表1 书写设备及其性能参数

由于成年人书写习惯具有较强的相对稳定性，便于对实验样本的分析，故而邀请10 名在校大学生（5 男5 女）作为实验签名笔迹的提取对象，10名实验人员书写水平各有差异，可以较充分地反映出不同笔迹特征。

（二）实验步骤

第一，将10 名实验人员依次编号为1、2、3……10。为避免实验人员因不适应手写电子书写方式而无法获取稳定的书写字迹，特请每位实验人员拿到书写板和触控笔后，先行按照自己的书写习惯自由签名，以便熟悉设备的构造及书写条件，然后再让每位实验人员在设备上签名进行样本采集。

第二，每位实验人员采取正常坐姿，使用晨光0.5mm 黑色中性笔在A4 纸上分别以快速、常速、慢速各签名两次。将第一位实验人员所书写样本分别编号为Z-1-1、Z-1-2，将第二位实验人员所书写样本分别编号为Z-2-1、Z-2-2，以此类推，共收集到60 份纸面签名实验样本。然后将这60 份实验样本用扫描仪分别扫描为JPG 格式图片保存，如图1 所示。

图1 A4纸面签名笔迹

第三，每位实验人员采取正常坐姿，用电子触控笔以正常书写速度，在与桌面呈0°放置的编号分别为A、B、C、D、E、F 的六台电子签名设备各签名两次。将第一位实验人员在设备A 上所书写的样本分别编号为A-1-1、A-1-2，在设备B 上所书写的样本分别编号为B-1-1、B-1-2，将第二位实验人员在设备A 上所书写样本分别编号为A-2-1、A-2-2，在设备B 上所书写的样本分别编号为B-2-1、B-2-2，以此类推，共收集到120 份电磁式签名板实验样本。然后使用Adobe Photoshop 软件将样本截取为JPG 格式图片保存，如图2 所示。

第四，每位实验人员采取正常坐姿，分别使用右手食指和电容笔以正常书写速度，在与桌面呈0°放置的编号为G 的电容式电子签名设备上各签名两次。将第一位实验人员使用右手食指在设备G 上所书写的样本分别编号为GZ-1-1、GZ-1-2，使用电容笔在设备G 上所书写的样本分别编号为GD-1-1、GD-1-2，将第二位实验人员使用右手食指在设备G 上所书写的样本分别编号为GZ-2-1、GZ-2-2，使用电容笔在设备G 上所书写的样本分别编号为GD-2-1、GD-2-2，以此类推，共收集到40 份电容式签名板实验样本。然后将这些样本传输至电脑中，使用Adobe Photoshop 软件将样本截取为JPG 格式图片保存，如图3 所示。

第五，将每份电子签名样本与A4 纸面签名样本进行笔迹特征比对，分析10 名实验人员的13 种笔迹特征表现，包括各种概貌特征（书写水平、书写速度、字形特征、字体特征、字倾斜程度特征、字符大小特征等）和细节特征（搭配比例特征、起笔特征、行笔特征、收笔特征、连笔特征、笔顺特征及笔画形态特征等）。

第六，统计电子签名笔迹特征变化的概率，制作一览式对比表。

图2 电磁式手写板签名笔迹

图3 电容式手写板签名笔迹

三、实验结果分析

（一）电子签名笔迹特征变化的统计

通过观察、比对各式电子签名笔迹与普通手写签名笔迹的特征表现，采用统计法计算出各项特征在实验样本中的出现率，见表2 所示，该统计的电子签名笔迹特征变化均以同一名实验对象在A4 纸面上正常书写签名笔迹作为比对标准。

表2 电子签名笔迹特征变化的概率

（二）电子签名笔迹特征变化的原因分析

1.概貌特征变化

对表格数据进行分析后发现，与纸面书写笔迹相比，在概貌特征方面，电子签名笔迹的常速书写与快速书写方式占大多数，快速书写方式所占比例小幅度增加。字符普遍增大，字形趋于圆润，棱角过渡较为平滑，单字左倾比例略有增加，书写水平显著下降。

使用不同电子签名设备所书写的签名笔迹之间相互比较，不同品牌、不同性能的电子签名设备所书写的签名笔迹在概貌特征方面的变化比例并无太大差异。

（1）书写速度变化的原因

在各类电子签名笔迹里，常速书写与快速书写者占大多数，慢速书写显著减少，其原因是电子屏幕相比纸张摩擦系数较小，且电磁（容）笔或手指与电子屏幕之间感应较灵敏，稍有压力或接触便会形成笔迹［2］。

其中，运用设备G（华为M3）电容笔书写所产生的电子签名笔迹，其书写速度最慢，主要因为目前市面所用电容笔笔尖多为导电橡胶，摩擦系数相对较大。而运用该设备采取手指书写所产生的电子签名笔迹书写速度最快，主要原因是该设备平板电脑的类玻璃平面较之其他电子数位板的磨砂质感书写平面摩擦系数更小，手指书写比电磁（容）笔更加灵活、易于操纵，故书写速度较快［3］，如图4 所示。

图4 不同书写速度的签名笔迹对比

（2）单字大小变化的原因

与纸面签名笔迹相比，电子签名笔迹字符普遍增大，其原因在于，当实验人员在纸面上签名时，潜意识中会按照日常纸面书写习惯书写，书写范围为A4 纸张的上部，所书写的单字较小，而当实验人员在电子签名设备上签名时，书写范围为整个电子签名设备平面，故所书写的单字较大。

其中，品牌型号为华为M3 的平板电脑，运用手指（GZ）书写所产生的笔迹单字最大。这主要是因为作为电子签名笔迹书写工具的笔尖或指尖直径远大于普通笔尖直径，使得笔画变粗，单字变大。而且以指尖为书写工具，手指的活动半径大于正常书写时签字笔的活动半径，笔画容易拉长，字迹相应增大［4］。相比较而言，设备A、B 所产生的电子签名笔迹小于设备C、D、E、F、G 所产生的电子签名笔迹，其原因在于设备A、B 书写范围较小，手腕活动半径受限，致使书写的签名笔迹变小。

（3）书写水平变化的原因

电子签名笔迹的整体书写水平一般会有所下降。究其原因，一是书写人书写习惯是运用普通笔书写、通过长期练习形成，而书写方式突然变化后一时难以适应，致使手腕对书写工具的掌控能力下降，造成书写水平降低［5］。二是电子签名笔迹的书写承受物为类玻璃屏，笔痕特征不能得以明显反映，尤其是电磁压力感应灵敏度不够强，难以产生笔画有粗有细的层次感。

如图5 所示，与纸面签名笔迹（Z-2-3）相比，设备B 所书写的“张”字左侧的“弓”字旁笔画生涩呆板，字形拉长，与右侧的“长”间距变大。设备E所书写的“张”字左右两侧“弓”与“长”比例失调，“长”字起手的“丿”过于接近“丨”的上端，单字构成的比例失调，书写水平下降。

在电磁式电子签名设备中，有压感的电子签名设备所书写的签名笔迹书写水平高于无压感的电子签名笔迹，其原因在于有压感的电子签名设备在书写时会根据书写者运笔力度的大小改变笔画的粗细程度，使签名笔迹层次感和抑扬顿挫感得到更好的再现，反映出更高的书写水平［6］。

图5 不同书写水平的签名笔迹对比

（4）字形变化的原因

普通笔书写字迹多呈方形，符合汉字的“方块字”书写规范。电子签名笔迹中方块字占大多数，但是笔画转角偏圆形的字迹有所增加，尤其是转折处相对圆润。其原因在于与纸张平面相比，电子触控屏摩擦系数变小，书写载体更加光滑，书写速度加快，不易控制笔尖走势，致使笔画转折处弧度增大，而且电子签名笔迹笔画相对变粗，视觉上更加缺少尖锐的棱角，如图6 所示。

图6 转角弧度不同的签名笔迹

（5）单字倾斜方向变化的原因

与纸面签名笔迹相比，电子签名笔迹大部分单字体保持端正，但左倾比例略有增加。其原因为运用电子签名设备书写时，书写者手掌不能接触电子触控平面，如果书写者以右手书写，则大多以右手手肘为支点，在书写过程中手腕逐渐偏向右上方，致使电子签名笔迹单字出现左倾现象，如图7 所示。

图7 单字明显左倾的签名笔迹

2.细节特征变化

在细节特征方面，与纸面签名笔迹相比，电子签名笔迹的搭配比例、行笔、收笔等细节特征变化比较明显，笔顺特征基本未发生很大变化，仅部分设备书写笔迹的起笔、连笔特征变化较突出。

不同设备所书写的电子签名笔迹之间相互比较，不同品牌、不同性能的设备书写的电子签名笔迹的细节特征变化概率无太大差异。

（1）搭配比例特征变化的原因

各类电子签名笔迹的搭配比例特征均发生一定变化，其原因在于当书写者在纸面上书写时，书写工具运动轨迹与书写所产生的笔画痕迹处于同一视角内，书写者可以根据已经产生的笔画痕迹调整后续书写动作，使单字笔画搭配得当、比例适宜。而当书写者使用电子签名设备书写时，书写工具运动轨迹与书写所产生的笔画痕迹无法处于同一视角内，书写者无法根据已产生笔画痕迹调整后续动作，致使电子签名笔迹笔画搭配比例失调。在各类电子签名笔迹中，以品牌型号为华为M3 的平板电脑手指书写的笔迹变化最为显著。这是因为书写工具与书写承载平面均改变，实验人员原有的书写动力定型不能适应现有书写条件，收笔时对书写工具的控制力弱化，加之摩擦系数减小，书写速度加快，字形增大，行笔方向改变，使书写工具难以灵活掌握，导致笔画搭配比例关系发生改变。

如图8 所示，与纸面签名笔迹（Z-2-2）相比，设备D、E 所书写的“张”字的右侧“长”字过小，与左侧“弓”字的比例失调；设备E 所书写的“张”字左右两侧“弓”与“长”比例失调，“长”字起手的“丿”过于接近“丨”的上端；设备GZ（华为M3 手指书写）所书写的“张”字左侧的“弓”字笔画生涩呆板，字形拉长，右侧“长”字字形变宽，造成笔画搭配失调。

图8 电子签名笔迹样本搭配比例失调

（2）连笔特征变化的原因

电子签名笔迹的连笔特征变化较明显，主要表现为连笔增多，纸面签名笔迹中的“虚连”在电子签名笔迹中变为“实连”，尤其是电磁式原理电子签名设备书写笔迹。究其原因在于，电磁式电子签名板存在读取高度，即在一定高度内电磁笔即使不接触电磁触控板也能被感应到信号，故电磁笔书写完一个笔画，准备书写下一笔画，此时笔尖虽稍离开触控屏，但是由于二者距离较近，笔尖发出的信号仍能被感应到，继而产生笔画，表现为实连。对于电容式电子签名设备而言，其触控屏类玻璃面摩擦系数较小，书写时速度加快，在前一笔画书写完毕而笔还未从触控屏上抬起时即到达下一笔画书写位置，开始下一笔画的书写动作，使得两笔画之间表现为实连，如图9所示。

图9 电子签名笔迹笔画间连笔明显增多

（3）笔画形态特征变化的原因

将运用不同型号、不同性能的电子签名设备书写的签名笔迹进行比较，发现它们的笔画浓淡、笔画粗细过渡、笔画间断等方面存在差异。

首先，笔画浓淡变化。同为汉王品牌，设备A、B、C 所书写的电子签名笔迹笔画颜色浓淡依次为A＞C＞B，如图10 所示，其原因为不同设备间的灰度不同。灰度是指将不同的色彩分为不同深浅的层次，灰度值越低颜色越黑。根据具体参数显示，设备A、B、C 的灰度值依次为A＜C＜B，故在书写软件参数设定相同的情况下，电子签名设备灰度值越大，则笔画颜色越浅。

图10 不同笔画浓淡程度的电子签名笔迹

其次，笔画粗细过渡变化。同为友基品牌，电子签名设备E 书写笔迹笔画粗细过渡比D 更自然，表现得更为细致，如图11 所示，其原因在于两台电子签名设备压感级别值不同，分辨率也不同。压感即压力感应，压感级别是表示下笔轻重的感应灵敏度，从书写者细微的力度变化中表现出笔迹粗细浓淡的笔触效果，用相同的笔力来书写，1024级、2048 级和8192 级是把同一个力度分解成10、20、80 份，分解得越多，细微差异表现得更突出。分辨率类似照相机的像素，把手写板视为一个方形，由无数个等大的方块组成，分辨率越高，单位面积所含的方块越多，基板所获取的信息量越大，线条精度越高且更柔顺。基于此，压感级别越高，笔迹细微的不同越容易被基板感应到，分辨率越高，细微的笔迹变化能得到更好的显示，在画面上的呈现越明显。根据设备参数显示，设备D 的压感级别为2048 级，分辨率为5080lpi，设备E 压感级别为8192 级，分辨率为5080lpi。

图11 设备D 与设备E 书写笔迹粗细过渡对比

再次，笔画出现间断。还是以友基品牌的书写工具为例，设备D 书写的电子签名笔迹“勇”字笔画中的“横折钩”及上部的连笔存在少许笔画间断现象，而设备E 则没有出现该情况,如图12 所示，其原因在于压感级别和读取速度的共同作用效果不同。二者皆为电磁式手写板，必须有压力作用，基板才可感应到，从而精确还原书写人笔迹。笔尖压感级数层次越多，所形成的线条还原程度就越高，细微的力度变化也可察觉，能清晰地反映出向上笔画压力较轻，向下笔画压力较重等特点，便于书写人实施快速而流利的书写动作，故而在长笔画中形成光滑完整的线条，不会因笔力过轻而使笔迹中断。

读取速度即感应速度。手写板的读取速度必须跟上书写者的书写速度，才可同步识别书写笔迹，因为笔迹是由若干数据点构成的，读取速度越快，书写流畅度越高，相应的点也不会有所遗漏［7］［8］。有些数位板（如设备D）在使用时会出现“折线”、“断线”的现象，一般是由于触控笔的读取速度达不到书写运动速度而造成的，故读取速度的提升能有效避免上述情况的产生，但同时其也会受PC运行速度制约，若设备配置过低会影响读取速度。根据设备参数显示，设备D 的读取速度为220 点/秒，设备E 为266 点/秒，由此设备D 所书写的笔迹易出现间断，而设备E 的笔迹无延迟且不卡顿。

图12 设备D 与设备E 笔画断线现象对比

（4）收笔特征变化的原因

收笔特征是指当书写动作即将完成时笔尖离开承载体瞬间形成的细节特征。每个人都有自己的书写习惯，所掌握的收笔动作也会各不相同，而且书写速度的快慢会影响收笔特征的形成。收笔特征具有较高的鉴定价值，主要有直收笔、顿压收笔和回转收笔三种，直收笔多出现在书写速度较快的字迹中，在行将结束的运笔方向上无停即收，笔画末端齐整或呈针尖状。如图13 所示，设备E所形成的笔迹“朱”字“竖勾”笔画收笔处，笔画细长且呈渐变式，原因是在收笔过程中力度逐渐减小，收笔特征为直收笔，书写速度较快。设备A 所形成的笔迹在收笔处将本应为锥形的笔画转换成钝形，变为直收笔；再如设备E 所书写的笔迹“来”字最后一画，表现较短且呈渐变式，原因是在收笔过程中力度逐渐减小，是较慢且基本无顿压的直收尾，笔画形态精准表现了书写人的压力变化。设备G 所书写的笔迹“来”字末端笔迹逐渐加重，以钝形收尾，笔画形态未能表现出书写人的压力变化，使收笔形态产生差异。由于设备E 拥有8192 级压感，可以根据书写人运笔力度的大小改变笔画粗细，能够表现出更多的笔画形态，而设备A 为无压感，设备G 为电容式，两者均不能根据书写人运笔压力的大小改变笔画粗细程度，使收笔形态产生差异。

图13 各类电子签名设备收笔形态对比

（三）结论

通过上述实验,综合归纳后可以得出如下结论：电子签名笔迹特征变化的产生与电子签名设备本身工作原理有关，也与电子签名设备的触控屏面大小、书写面摩擦系数、悬空高度、压感级别、分辨率、读取速度等性能参数有关。

四、结语

本项研究围绕当前文件检验学中电子签名笔迹这个新兴领域展开，通过实验证实，与纸面签名笔迹相比，电子签名笔迹特征变化的原因是多方面的，既有电子签名设备的工作原理造成的，也有不同品牌、不同性能的电子签名设备自身性能造成的。司法实践中，文检员开展电子签名笔迹鉴定工作时，应当注意将不同人书写的电子签名笔迹特征差异与因签名设备的工作原理不同造成的特征差异加以区分，并且结合签名设备的性能、参数进行综合分析，方能避免鉴定意见产生失误，从而更好地服务于诉讼活动。